Mentor: 人がエネルギーに満ち溢れていると言ったら、何が思い浮かびますか。
生徒さん。 その人はとても活動的で、たくさんのことを素早くこなしている、など。
メンター。 そうですね、エネルギーの科学的な定義は、その考えとあまり変わりませんね。 基本的に、エネルギーとは仕事をする能力のことです。
学生さん。 しかし、エネルギッシュな人が常に仕事をしているわけではありません。 仕事の科学的な定義は、普通の定義と違うのでしょうか？
メンターです。 その通りです。 科学的な用語では、仕事とは運動の方向と平行に及ぼされる力のことです。 例を考えてみてください。
学生さん。 箱を持ち上げるとき、あなたは上に力を及ぼしており、箱は上に移動し、あなたは仕事をしているのです。
メンター。 そうですね。 エネルギーが仕事をする能力であることを考えると、どのような種類のエネルギーが存在するか知っていますか？
生徒さん。 ええと、エネルギーは物体を動かすことに関係しているので、運動のエネルギーはありますか？
メンター。 はい、これは運動エネルギーと呼ばれます。 動いている物体はすべて運動エネルギーを持っていると言われます。 さて、ボールを空中に投げたらエネルギーはどうなるのでしょうか？
学生さん。 えーと…ボールが空中に上がるにつれて、ボールの速度は減少します。 それはエネルギーが減少しているということでしょうか？ そして、下に降りてきて速度が上がると、エネルギーは増えているのでしょうか？
メンターです。 運動エネルギーは、ボールが空中で上昇し、減速するにつれて減少します。 そして、ボールが落ちてきて速度が上がると、運動エネルギーは増えます。 なぜ運動エネルギーを指定するのかわかりますか？
生徒さん。 運動エネルギー以外のエネルギーもあるのですか？
メンターです。 その通りです! エネルギー保存の法則によると、システム内のエネルギー量は常に一定でなければなりません。 しかし、私たちは、ボールを空中に投げるとき、運動エネルギーが減ったり増えたりしていることを知っています。 これはどのようにして起こるのでしょうか？
生徒さん 運動エネルギーは確かに減ったり増えたりしているので、物体が上昇するときに得られる別の種類のエネルギーがあるのでしょうね。
メンターです。 そのとおりで、この種のエネルギーは位置エネルギーと呼ばれます。 エネルギーとは単に仕事をする能力であると言ったのを覚えていますか？ 物体が空中で高く移動すると、重力の効果でその位置エネルギーが増加します。空中で高い位置にあるボールを落とすことができ、それによって仕事をすることができます。
学生さん。 それは理にかなっていますね。 ボールを空中に投げると、運動エネルギーが減少すると位置エネルギーが増加するはずで、その逆もしかりで、総エネルギーは常に同じになるのでしょうね。
メンター。 そうです。 位置エネルギーは、物体の高さとそれに引っ張られる重力に関係します。 しかし、位置エネルギーと運動エネルギーは十分ですが、他にエネルギーの種類はありますか？
生徒さん。 物体を動かす以外に仕事をする方法を知らないのですが。
メンター: さて、もし他のエネルギーの種類を思いつかないなら、もう一度エネルギー保存の法則を使ってみてください。 なぜブレーキをかけたら列車は止まるのでしょうか？ それは運動エネルギーを失っていますが、位置エネルギーを得ているわけではありません。
学生さん。 電車が止まるのは摩擦のせいだといつも聞いているので、摩擦もエネルギーの一種であるはずです。
メンター: あなたは正しい道を歩んでいます。 摩擦は実際には、列車が停止するときに知覚できるいくつかの異なるタイプのエネルギーを含んでいます。
- 熱エネルギー、これは摩擦によって生成される熱です。
- 音響エネルギー：列車が急停止するときに聞こえる音。
- 光エネルギー：火花が飛んだり、電車の中の熱い金属が赤く光ったりすることです。
学生です。 つまり、総エネルギーが一定であることを確認するときには、これらの他の形態のエネルギーもすべて含めなければならないということですね。
メンター。 そのとおりです。 しかし、考慮すべきエネルギーの種類はまだいくつかあります。
学生さん。 ちょっと待ってください、物理学者は実際にどのようにしてこれらすべてのエネルギーの種類を見つけるのでしょうか？ 何かがエネルギーであるかどうか、どうやって見分けるのですか？
メンター。 他のタイプのエネルギーを見つける最も簡単な方法は、エネルギーが保存されていないように見える現実の例を想像することです。 エネルギー保存の法則は常に正しいので、不足分を補うために1つ以上の他のタイプのエネルギーがあるはずです。 例えば、トランポリンで飛び跳ねる人のエネルギーはどうなるのでしょうか？
生徒です。 着地すると、速度と運動エネルギーが減少しますが、下降しているので位置エネルギーも減少します。 トランポリンは跳ぶと音がするし、少し熱も出ますが、落下を完全に逆転させるほどのエネルギーにはなりえません。 しかも、着地したときに、なぜかもう一度空へ飛び出すだけのエネルギーが蓄積されている。 ですから、トランポリンが伸びることによって得られる「バネエネルギー」のようなものがあるのでしょう。
メンター はい、あなたが言っている「バネエネルギー」は機械的エネルギーと呼ばれ、バネや輪ゴム、そしてトランポリンの蓄積されたエネルギーを表しているのです。
学生さん。 それはかなり簡単なようですね。 他の種類のエネルギーはありますか？
メンターです。 エネルギーの形はあと3つあります。 あなたの人生と経験から、そのうちのどれかがわかりますか？
学生さん。 ええと、私が電気をつけるとき、何かが光のエネルギーを作り出しているはずですが、電気はエネルギーの一種ですか？
メンター。 もちろんです。電磁エネルギー（電磁気を帯びた粒子のエネルギー）は、遠くまで移動でき、電池の形で簡単に保存できるので、最も便利なエネルギー形態の1つです。 基本的に、電磁エネルギーはプラスとマイナスに帯電した粒子間の引力のエネルギーである。 電線を流れる電子の流れは、小川を流れる水のようなもので、その力を利用して仕事をすることができるのです。
学生さん。 私たちが使っているすべての電子機器には、そのようなエネルギーが使われていますね。
メンター。 そうです。 物理学者は現在、電磁力と重力を組み合わせた、いわゆる大統一理論に取り組んでいるので、お子さんはエネルギーや力の種類を1つ減らすだけで済むかもしれません。
生徒です。 わあ、時々忘れてしまうのですが、物理学は新しい発見がなされると、今でも変化し続けているのですね。 普段、数学の勉強は固定されていると思いがちですが、実は理論は新しい発見があれば常に変化しているんですね。
メンターです。 いい指摘ですね。 実際、より現代的なエネルギー形態の1つは、1905年に初めて理論化され、1940年代に使用に成功したものです – 核エネルギー。 しかし、まだ知られているエネルギー形態が1つ残っています。 薪を燃やすことを考えましょう。 エネルギーの入力と出力はどのようなものでしょうか？
生徒です。 えーと、木を燃やすにはまず火をつけなければなりません。これには熱エネルギーが必要ですが、その後、木は火をつけた火花よりも多くの熱エネルギーと光エネルギーを生成します。 薪は燃えるにつれて質量を失います。火事の後に残る灰は、事前にあった薪よりも常に少なくなるからです。
メンター しかし、物質がエネルギーに変換される唯一の方法は核プロセスであり、明らかに焚き火は核爆発を起こしません。 あなたがおっしゃる不足分の質量はすべて煙や水蒸気の形で火から離れます。 いや、薪のエネルギーは化学エネルギーという全く別のものなのです。
生徒です。 化学エネルギーとは、燃えやすいものに蓄えられているエネルギーということですか？
メンターです。 確かに燃えやすいものはすべて化学エネルギーを持っていますが、化学エネルギーは燃えないものにも蓄えられることがあります。 一般に化学エネルギーとは、原子と原子の結合に蓄えられるエネルギーのことです。 木が燃えるとき、その結合が切れて、そのエネルギーが光や熱として放出されるのです。
生徒です。 化学エネルギーは熱エネルギーと同じように物質固有のものなんですね。
メンターです。 はい、エネルギーの種類の多くは、互いに関連しています。 しかし、覚えておくべき最も重要なことは、エネルギー保存の法則です。 どんな問題を解いていても、システムの総エネルギーは常に一定でなければなりません。